塔里木盆地南缘策勒绿洲荒漠大气降尘特征

徐立帅，郑 伟，郑新倩，贺 鹏，刘立文

（1.山西农业大学资源环境学院，山西 太谷030801；2.塔中气象站，新疆 塔中841000；3.新疆农业气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

绿洲是干旱区人类生产和生活最为重要的场所，由于靠近沙尘源区、风沙活动频繁，导致绿洲面临严重的沙尘危害，尤其大量沙尘的沉降产生一系列环境效应。降尘可以为土壤输入大量的细颗粒物质和营养元素，促进土壤发育[1-3]；又可通过盐分、重金属、病原体等输入引起土壤盐渍化、污染水体[4，5]。降尘沉降到植物叶片会影响植物的光合作用、呼吸和蒸腾等生理、生化过程，进而造成粮食减产[6-8]。此外，降尘是绿洲沉积物的重要来源，记录了绿洲形成及演化过程中的环境变化信息[9]。而且，沙尘悬浮在大气中时增加了气溶胶光学厚度，提高了可吸入颗粒物（PM10）和总悬浮颗粒物（TSP）浓度，导致环境质量下降[10，11]；长期暴露于这样的环境中更易患呼吸系统疾病，导致人体上呼吸道和眼睛产生急性刺激性症状[12-14]。因此，绿洲大气降尘的研究对改善绿洲环境质量、规避沙尘危害有重要意义。

绿洲及周围荒漠区的大气降尘受广泛关注。已有研究发现塔里木盆地南缘策勒绿洲降尘是戈壁的3倍，绿洲内部较小的风速和较高的湿度可能是影响降尘的主要因素[15]。塔里木盆地北缘轮台绿洲的观测也发现绿洲内部降尘量大于周围荒漠区，除了较高的植被盖度，绿洲内部人为源可能也会影响降尘量[16]。万的军等对策勒绿洲尘暴降尘、浮尘降尘的对比研究指出绿洲粗糙下垫面机械阻挡作用、绿洲小气候效应和人为源都可能影响降尘[17，18]。但绿洲并非均质的，绿洲内部不仅有农田还有县城、城镇等人口密集区，绿洲外部还存在戈壁、过渡带、沙漠等不同类型的下垫面。不同下垫面如何导致了绿洲内外降尘存在差异，又如何影响不同粒径的粉尘沉降？这还需更多的野外观测进行研究。因此，本研究选择塔里木盆地南缘策勒绿洲及周围荒漠区为研究对象，观测戈壁、绿洲—沙漠过渡带、绿洲内部农田和县城4种不同下垫面降尘，探讨不同下垫面对降尘空间分布和机械组成的影响。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

策勒绿洲（80°43′E～80°53′E，36°57′N～37°05′N）位于塔里木盆地南缘，中昆仑山北麓。地处亚欧大陆腹地，为暖温带荒漠气候。年平均降水量35.1 mm，年潜在蒸发量近2600 mm，干燥度为20.8；极端最高温为41.9℃，极端最低温为-23.9℃[19，20]。该区风沙灾害严重，沙尘天气主要发生在春、夏两季，起沙风主要为偏西风[21，22]。多年平均沙尘暴日数为25.2 d，最高年份高达59 d，此外年浮尘日数超过200 d[23，24]。

1.2 研究方法

本研究选择戈壁、绿洲-沙漠过渡带（简称过渡带）、绿洲内部农田和县城4种不同下垫面进行大气降尘观测，观测点位置如图1所示。戈壁观测点位于绿洲南缘，距县城约12 km，地表基本没有植被覆盖。过渡带的降尘观测点距绿洲西边界约100 m，该区主要植被为骆驼刺（Alhagi sparsifolia Shap）和花花柴（Karelinia caspia），植被高度基本都＜1 m，植被盖度为67%[25]。绿洲内部农田观测点位于绿洲中部略偏北的位置，绿洲农田周边为窄林带小网格的高大防护体系，主要由新疆杨（Populusalbavar.pyramidalis Bunge）组成，植被盖度超过80% 。防护体系内部种植棉花、红枣等经济作物。县城观测点位于策勒县气象局房顶，地处县城中心区域，人类活动较多。

图1 策勒绿洲及周围荒漠区4个不同下垫面大气降尘观测点

策勒绿洲南缘戈壁粒度特征未见详细报道，但陈渭南对塔南冲积平原和戈壁的调查结果显示大于2 mm的组分含量为26.68% ，＜50 μm粒径含量不足40% ，平均粒径为520 μm[26]。绿洲西缘过渡带表层物质粒径分布范围为0.3～200 μm，以细沙和极细沙为主，呈双峰分布具有很好的分选性，主峰众数为67 μm，小于20 μm的组分出现一个平缓的细峰[27]。沿绿洲主风向从过渡带到绿洲表土平均粒径呈减小趋势，到边缘农田区平均粒径下降到83 μm[28]。绿洲内部县城基本没有裸露土壤，主要是硬化后的道路、广场等。因此除大气降尘被扰动后的二次释放，其本身不会产生风蚀。可见，戈壁的表土粒径最粗，其次为过渡带，绿洲内部表土粒径最小。

降尘桶是用PVC管自制的，内经15.5 cm，高30 cm，底部用塑料袋包裹用于收集大气降尘。降尘桶固定在距地面4 m的高度以避免就地起尘的影响。其中戈壁和过渡带是用木桩固定，绿洲内部农田区和县城两个观测点用1 m高的支架将降尘桶固定在约3 m高度的房顶。为保证收集足够降尘量，每个点安放两个降尘桶。每次采样时用软毛刷将降尘筒内的粉尘全部清扫到底部的塑料带内并做好标记，之后安放好降尘桶继续采样。样品带回实验室后剔除植物残体等杂质进行称重，计算采样时间段内每个点的单位面积降尘量（g·m-2）。称重后的样品不经任何预处理直接用Mastersizer 2000进行粒度测量，粒度参数由GRADISTAT软件计算并根据Folk-Ward标准统计了平均粒径、分选性、偏态和峰态4个参数[29]。2013年3月7日—2014年3月10日共收集了5次大气降尘样品，收集时间分别为2013年3月7日—4月5日、4月6日—6月5日、6月6日—9月4日、9月5日—11月16日、11月17日—2014年3月10日。为便于记录将这5个时间段分别标记为P1、P2、P3、P4和P5，其中P2～P5时段内降尘量累加代表了年累积降尘量。

2 结果与分析

2.1 不同下垫面降尘量特征

不同下垫面降尘量变化如图2所示，降尘量从大到小顺序基本是县城＞农田＞过渡带＞戈壁。受采样时间的影响，不同下垫面降尘量差异较大。戈壁相对于其它3种下垫面近乎裸露，可以忽略植被盖度及人类活动的影响。以戈壁降尘量为参照可以看出，P5期间戈壁降尘量最小，其次为P1、P4、P3和P2，不同时间戈壁降尘量的变化基本对应策勒地区沙尘天气的变化。P1时期不同下垫面降尘量差异最大，过渡带、农田和县城降尘量分别是戈壁的4.0倍、6.6倍和10.0倍。P2和P5时期不同下垫面降尘量差异有所减小，过渡带降尘量基本是戈壁的2倍，农田降尘量超过戈壁的5倍，县城降尘量约是戈壁的8倍。P2和P4时期不同下垫面降尘量进一步减小，过渡带降尘量基本是戈壁的1倍，农田降尘量超过戈壁的2倍，县城降尘量约是戈壁的3倍。年累积降尘量中过渡带、农田和县城分别是戈壁的1.4倍、3.4倍和4.9倍。从观测结果可以看出，下垫面植被盖度越大，风速越小的区域降尘量越大，且不同下垫面降尘量之间的差异不是简单的线性关系。

图3 不同下垫面降尘粒度分布曲线

图2 不同下垫面降尘量差异

2.2 不同下垫面降尘粒度特征

4种不同下垫面降尘粒度分布曲线基本呈双峰分布（图3），第一主峰主要分布范围为20～200 μm，第二主峰分布范围为4～20 μm。但是，P1（春季降尘）中戈壁和过渡带降尘为单峰分布，且基本未出现小于20 μm的粉尘沉降，其他4个时期降尘均为双峰，且不同下垫面粒径分布范围基本一致。此外，P5不同下垫面降尘众数粒径差异最大，戈壁降尘众数粒径最大，其次为过渡带，绿洲内部农田和县城众数粒径相同。而P2、P3和P4不同下垫面降尘众数粒径相同，P1不同下垫面众数粒径略有差异。不同下垫面降尘粒度参数在5个时间段内也表现出不同的特征（表1）。P1和P5这2个时段分别位于春季和冬季，戈壁降尘平均粒径明显大于其他3个下垫面，分选性好于其他3个下垫面。而P2、P3和P4时段位于夏季和秋季，戈壁降尘平均粒径反而小于其他3个下垫面，但不同下垫面降尘分选性一样。峰态和偏度变化没有明显的规律性，总体上降尘粒度曲线表现出细偏和变窄的趋势。

表1 不同下垫面降尘粒度参数特征

3 讨论

3.1 下垫面对降尘量影响

下垫面对降尘的影响不可忽视，尤其地表植被对风速的削弱可直接促进大气降尘。研究发现防护林庇护区降尘量大于外部，且强沙尘暴和风蚀季节最为显著，体现出机械阻挡作用对沙尘沉降的促进作用[30]。民勤绿洲的降尘观测发现从荒漠区穿过绿边缘进入绿洲内部降尘量呈先下降后增加趋势，且绿洲防护体系不仅影响降尘量，还改变了降尘垂向分布特征，绿洲内部降尘垂向分布转折点与防护林高度一致[31]。策勒地区的将观测发现植被盖度是影响降尘量的关键因素。戈壁几乎呈裸露状态，可以忽略植被对风速的削弱作用。过渡带植被盖度达到67% ，观测点周围主要为骆驼刺灌丛，高度基本都在1 m以下。绿洲内部为窄林带小网格的防护体系，高度约20 m。县城密集建筑物也增加了地表粗糙度，削弱风速。此外，绿洲摩阻风度和空气动力学粗糙度分别为0.81 m·s-1和310.8 mm，过渡带为0.61 m·s-1和39.51 mm，绿洲风蚀潜力明显小于过渡带，且对风速有很强的削弱作用[32]。策勒绿洲风速观测发现2 m高度上绿洲内部平均风速比过渡带小约1 m·s-1且植被生长季节风速差异大于冬季[33]，而绿洲和戈壁11.6 m高度观测发现绿洲比戈壁风速小3.6 m·s-1，且绿洲下垫还影响了风向变化[34]。从戈壁到过渡带再到绿洲内部风速逐渐减弱，而沙尘在输送过程中风速减弱会大量沉降，因此导致降尘量从戈壁、过渡带到绿洲内部呈增加趋势，即粗糙度越大，降尘量越大。

县城降尘量大于绿洲农田区，有两个方面的因素值得考虑：一是县城位于绿洲内部，受防护林带和高大建筑共同影响，风速削弱有利于沙尘沉降；二是县城区域不可避免的会受人类活动等影响，粉尘的二次释放可能也会导致降尘量偏大。而且，策勒绿洲主要受偏西风影响，农田观测点相对于县城观测点更靠近绿洲西缘。以上多方面因素的综合作用可能导致县城区降尘量最大。绿洲小气候对降尘的作用是不容忽视的[18]，但小气候不是稳定存在的，受季节和强天气过程的影响。研究表明绿洲小气候主要出现在夏季静稳天气，冬季和秋季可以忽略小气候的影响，强沙尘天气也会破坏绿洲小气候[33，35-37]。夏季和秋季浮尘天气绿洲小气候对降尘的影响最大。植被生长季节对应小气候显著期，下垫面的机械阻挡作用更强。冬季植被进入休眠期，下垫面机械阻挡作用减弱，小气候此时也不明显。这些因素的共同作用可能导致了不同下垫面降尘量差异呈非线性关系。

3.2 下垫面对降尘粒度影响

4种下垫面降尘基本均呈双峰分布，粒径分布范围也一致，但平均粒径、分选性、偏态和峰态存在差异（表1）。风力条件是影响粒度的主要因素，风速较大时沙尘不易沉降，尤其长期悬浮于大气中的细颗粒沙尘甚至不会沉降[17]。戈壁植被盖度小、风速大，降尘平均粒径应大于绿洲内部。但本研究发现P1和P5两个时期戈壁降尘平均粒径的确大于绿洲内部，戈壁降尘细颗粒沙尘含量小于其他3个下垫面。但是，P2、P3和P4时期戈壁降尘平均粒径又明显小于绿洲内部，这与先前的推测矛盾。戈壁与其他3种下垫面相比除粗糙度差别外，温度和湿度也存在差异。绿洲在P2、P3和P4时段内冷岛和湿岛效应非常显著[33]。绿洲小气候导致绿洲内部出现大范围的下沉气流；且绿洲内部相对湿度高，粉尘颗粒吸湿增重，这两个因素与重力共同作用可以促进沙尘沉降[18]。因此绿洲小气候效应的季节变化可能导致小气候作用期绿洲降尘平均粒径大于戈壁，冬季小气候作用不明显时绿洲降尘平均粒径小于戈壁。当然，不能排除戈壁受尘卷风等局地因素影响，导致与绿洲内部降尘存在粒径差异。沙尘天气降尘的空间分布范围相对于绿洲来说是一个大尺度，本研究关注的是在这种大尺度降尘事件中不同下垫面对降尘的影响，下垫面表土性质差异、局地小尺度的尘卷风等事件暂不列入考虑范围。

本研究发现，P2、P3和P4时期戈壁降尘呈明显的双峰分布，其他3个下垫面降尘双峰分布不明显。戈壁降尘可以代表自然状态下大气降尘，其他3个下垫面降尘受到了机械阻挡和小气候效应影响。戈壁与其他3个下垫面粒度差异可以反映机械阻挡和小气候效应对不同粒径粉尘沉降的影响。P1和P5这2个时期可以忽略小气候效应影响，戈壁与其他3个下垫面降尘差异可认为是机械阻挡作用影响的，戈壁降尘＜50 μm的粉尘含量小于其他3个下垫面（图3）。因此可推断机械阻挡作用主要促进了＜50 μm的粉尘沉降。P2、P3和P4时期，其他3个下垫面降尘受机械阻挡和小气候效应共同影响，戈壁降尘中20～100 μm的粉尘含量要低于其他3个下垫面，而4～20 μm的粉尘含量明显大于其他3个下垫面（图3b～3d）。据此可以推断小气候效应主要是促进了20～100 μm的沙尘沉降。

4 结论

本研究对塔里木盆地南缘策勒地区戈壁、绿洲—沙漠过渡带、绿洲内部农田和县城4种不同下垫面进行了大气降尘观测，分析了降尘量和粒度的变化特征，探讨了粗糙下垫面和绿洲小气候对降尘的影响，主要结论如下：

（1）戈壁、过渡带、绿洲农田和县城4种下垫面年降尘量分别为554.23、761.75、1 867.46 g· m-2和2 688.14 g·m-2，下垫面植被盖度和粗糙度越大，降尘量越大；不同季节四种下垫面降尘量并非呈线性关系，县城降尘量是农田的1.47倍左右，波动较小，但与戈壁和过渡带的降尘量差异随季节变化波动较大。

（2）不同季节4种下垫面降尘粒径分布存在明显差异，夏季和秋季4种下垫面降尘众数粒径约79.62 μm，冬季和春季农田和县城降尘众数粒径下降到70.96 μm，戈壁冬季降尘众数粒径达到89.34 μm；4种下垫面平均粒径、分选性、偏态和峰态变化没有明显规律性。

（3）不同下垫面降尘粒度曲线差异明显，戈壁降尘呈明显的双峰分布，绿洲内部农田和县城双峰分布不明显；冬季和春季农田和县城降尘粒度分布曲线峰值明显低于戈壁和过渡，而夏季和秋季4种下垫面的峰值变化也无规律性。

（4）粗糙下垫面的机械阻挡和绿洲小气候的共同作用影响降尘的时空分布。不同下垫面降尘量季节差异表明植被盖度和小气候的季节变化可能导致不同下垫面降尘量呈非线性关系。据粒度参数和粒度分布曲线的变化可以推测粗糙下垫面的机械阻挡作用主要促进了＜50 μm的粉尘沉降，小气候效应主要促进了20～100 μm的粉尘沉降。受观测手段和取样精度影响，目前还不能定量区分机械阻挡作用和小气候作用对降尘的贡献率，两种作用对不同粒径降尘的影响还需更多的研究来证实。